冬奧會賽場上，花樣滑冰和速度滑冰因其俱佳的觀賞性頻頻沖上網(wǎng)絡(luò)熱搜。花樣滑冰運(yùn)動員為什么穿著溜冰鞋還可以做這么多高難度的動作？他們轉(zhuǎn)圈圈后為什么不會頭暈？哪些物理常識可以幫助他們提高訓(xùn)練成績……面對網(wǎng)友們拋出的眾多問題，本期“好奇心實驗室”，記者采訪了相關(guān)專家。

問題一：花樣滑冰運(yùn)動員可以在冰面上一直轉(zhuǎn)圈圈并做出高難度動作，而普通人為什么轉(zhuǎn)幾圈都會暈?zāi)兀?/p>

南醫(yī)大附屬明基醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科副主任醫(yī)師黃潔告訴記者，首先，需要了解我們在轉(zhuǎn)圈圈時為什么會頭暈。人體通過視覺、本體覺和內(nèi)耳前庭器官分別將軀體位置及運(yùn)動的信息經(jīng)感覺神經(jīng)傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，整合后做出位置的判斷，并通過運(yùn)動神經(jīng)傳出，調(diào)整身體和眼球的位置，維持平衡和視物的穩(wěn)定。前庭功能正常的人在做簡單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，不會有眩暈，但當(dāng)這種刺激過強(qiáng)，超出前庭系統(tǒng)處理能力時，機(jī)體就會感覺眩暈，嚴(yán)重時還會有惡心、嘔吐等不適。但是，對于外周前庭功能損害、前庭功能下降的患者來說，由于前庭系統(tǒng)處理運(yùn)動信息能力不足，無論靜止還是運(yùn)動狀態(tài)，他們都有可能感覺周圍物體旋轉(zhuǎn)或者自身不穩(wěn)感，無法穩(wěn)定注視外周目標(biāo)甚至跌倒。

對于花樣滑冰運(yùn)動員來講，需要完成快速旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動中跳躍等高難度動作。比如羽生結(jié)弦挑戰(zhàn)的4A動作，也就是阿克塞爾四周跳，就需要在起跳至落地之間不足1秒的時間內(nèi)，完成4周跳，并且以自身5-8倍體重的力量著地。在這個過程中，需要運(yùn)動員對肢體運(yùn)動很好控制。這個動作的難點是，除了需要強(qiáng)大的肌肉骨骼系統(tǒng)支撐外，前庭系統(tǒng)的訓(xùn)練尤其重要。

眼球震顫是在肢體運(yùn)動或視物追蹤等情況下維持視物穩(wěn)定的常見的眼球運(yùn)動，比如旋轉(zhuǎn)中眼震、旋轉(zhuǎn)后眼震、視動性眼震、視動后眼震。當(dāng)運(yùn)動員需要做更高難度的動作時，這時候誘發(fā)出的眼球運(yùn)動就屬于前庭刺激誘發(fā)的眼震，這些都屬于生理性眼震。運(yùn)動員在場上優(yōu)美的身姿往往來源于自幼長期的訓(xùn)練，面對勻速運(yùn)動、結(jié)合身體姿勢進(jìn)行變速運(yùn)動時也有一些訓(xùn)練小技巧，這都屬于前庭習(xí)服。

何為前庭習(xí)服？黃潔解釋，前庭習(xí)服指前庭系統(tǒng)受到一系列相同的刺激后，所表現(xiàn)出來的反應(yīng)性逐漸降低的現(xiàn)象。人的前庭感受器官共有2個，分別位于左右內(nèi)耳內(nèi)，且潛力非常大，即使單側(cè)前庭感受器官受損，另一側(cè)健康的前庭感受器官也具有強(qiáng)大代償能力，一段時間后可以完全恢復(fù)平衡的感覺，如果再加以訓(xùn)練，前庭功能則會恢復(fù)得更快更好。

需要進(jìn)行相關(guān)前庭功能訓(xùn)練的還有飛行員或者宇航員。他們面對特殊的飛行需要和重力環(huán)境，要求會更高，根據(jù)需要去訓(xùn)練，達(dá)到飛行任務(wù)要求才行。人們的前庭功能本身條件不一樣，就像高矮胖瘦，個體在單位時間內(nèi)達(dá)到的功能狀態(tài)也不一樣，所以需要進(jìn)行篩選后再訓(xùn)練。

問題二：為什么冰上運(yùn)動員穿上冰鞋可以在冰面上進(jìn)行高速運(yùn)動或完成高難度動作，而有些動作我們穿著普通鞋子在水泥地面上卻難以實現(xiàn)？

東南大學(xué)物理學(xué)院董帥教授表示，滑冰運(yùn)動員能在冰面上高速運(yùn)動得益于較小的摩擦阻力。一方面，冰面相較于普通路面更加光滑；另一方面，裝在冰鞋底下冰刀底面積很小，所以作用在冰面上的壓強(qiáng)很大(壓強(qiáng)等于壓力除以面積，壓力近似等于運(yùn)動員重量加上蹬地的力)。在冰刀與冰面的界面微小區(qū)域上，壓力會將冰融化成水(水的密度比冰低，因此高壓下冰會融化)，使冰刀與冰之間的摩擦變成濕摩擦，摩擦力降得更低。這就使得運(yùn)動員在使用正確的蹬冰姿勢時，只需要更小的力就能獲得比在地面上更大的加速度。而普通的鞋子底面積大，無法產(chǎn)生高壓融化水。

從物理學(xué)上看，花樣滑冰運(yùn)動員在完成旋轉(zhuǎn)動作時需要有角動量。角動量越大，轉(zhuǎn)得越快，才能在落地之前完成更多周次的旋轉(zhuǎn)。而角動量乘上轉(zhuǎn)動半徑等于線速度，所以轉(zhuǎn)動之前需要首先獲得較高的水平速度，然后通過冰刀蹬地，獲得較大的轉(zhuǎn)矩，將水平速度轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動速度。普通地面一般很難達(dá)到如此大的水平速度，而且較大的轉(zhuǎn)矩對蹬地時發(fā)力也有很高要求，冰刀長度比腳要長，更有利于獲得轉(zhuǎn)矩。

拋舉過程需要兩人具有幾乎一樣的速度，在普通地面如輪滑可能可以實現(xiàn)，但持奔跑或者走路速度時，人身體前后擺動幅度過大，難以操作。

普通地面因為阻力比較大，落地瞬間水平速度會有劇烈的減速，不容易平穩(wěn)落地，容易磕倒。而冰面阻力小，落地瞬間可以大致保持水平速度，容易穩(wěn)定。當(dāng)然這個也需要運(yùn)動員反復(fù)練習(xí)。

問題三：哪些物理常識可以幫助花樣滑冰運(yùn)動員提高技能？

董帥告訴記者，在花樣滑冰運(yùn)動中，當(dāng)完成空中多周跳時，運(yùn)動員會離開地面，開始做斜拋運(yùn)動。轉(zhuǎn)的圈數(shù)主要決定于兩方面因素，一是滯空時間，二是轉(zhuǎn)動速度。滯空時間由豎直速度決定，而轉(zhuǎn)動速度與水平運(yùn)動速度有關(guān)。想轉(zhuǎn)更多圈數(shù)，需要有更大的轉(zhuǎn)矩將水平速度轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動速度，且離地轉(zhuǎn)動時需要盡量收縮身體半徑，可以提高轉(zhuǎn)動速度。在總速度一定的情況下，合理分配豎直速度和水平速度，并不是跳得越高轉(zhuǎn)的圈數(shù)就一定越多。